Kết quả nghiên cứu phương pháp lí hóa nhằm nâng cao hiệu quả giếng khai thác gaslift trong điều kiện khai thác tại Việt Nam

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: “Kết quả nghiên cứu phương pháp lí hóa nhằm nâng cao hiệu quả giếng khai thác gaslift trong điều kiện khai thác tại Việt Nam” NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Thăm dò, Khai thác Kết quả nghiên cứu phương pháp lí hóa nhằm nâng cao hiệu quả giếng khai thác gaslift trong điều kiện khai thác tại Việt Nam Phân tích kỹ thuật, kinh tế nhằm lựa chọn khai thác dầu bằng phương pháp cơ học trong điều kiện khai thác biển tại Việt Nam cho thấy gaslift là phương pháp khai thác cơ học tối ưu, có nhiều ưu điểm, mang lại độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cao so với các phương pháp khác như: Sử dụng bơm ly tâm, bơm điệm chìm, bơm thủy lực... Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp gaslift là chi phí đầu tư lớn và hiệu suất làm việc thấp. Đặc biệt khi giếng khai thác gaslift có độ ngập nước lớn sẽ làm làm giảm sự phát tán của pha khí, từ đó phá hủy cấu trúc dòngchảy tối ưu của chất lưu trong ống khai thác, kết quả làm tăng tỷ trọng của cột chất lưu trong ống khai thác và giảm hiệu suất làm việc của giếng gaslift [1, 2]. Chế độ dòng chảy của chất lưu trong ống khai thác giếng gaslift theo các kiểu sau: Dạng bọt khí, dạng nút và dạng vòng (Hình1). a - kiểu bọt khí, b - kiểu nút khí, c - kiểu vòng Hình 1. Cấu trúc dòngchảy của chất lưu trong giếng gaslift Khi độ ngập nước của sản phẩm lớn sẽ phá hủy chế độ dòng chảy kiểu bọt khí làm tăng vận tốc chuyển động tương đối của pha khí và chuyển sang kiểu chảy dạng nút khí và dạng vòng gây tổn hao áp suất lớn và ảnh hưởng đến độ bền của thiết bị khai thác, làm giảm hiệu suất làm việc và hiệu quả sử dụng khí nén E ( ). Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu sự thay đổi vận tốc tương đối của pha khí theo độ ngập nước cho thấy vận tốc tương đối của pha khí tăng theo độ ngập nước của giếng khai thác (Hình2). Hình 2. Sự phụ thuộc vận tốc tương đối của pha khí theo độ ngập nước Từ Hình2 cho thấy vận tốc chuyển động tương đối của pha khí tăng nhanh khi độ ngập nước của sản phẩm lớn hơn 20%. Theo lí thuyết hiệu suất làm việc của giếng gaslift được tính theo công thức sau [2]: Trong đó: η – hiệu suất làm việc của giếng gaslif; Сs – vận tốc tương đối của dòngkhí; Từ công thức (1) cho thấy khi tăng vận tốc trượt của pha khí Cs sẽ làm giảm hiệu quả giếng gaslift. Để tăng hiệu quả làm việc giếng gaslift, nâng cao hiệu quả sử dụng khí nén E th. cần phải giảm vận tốc chuyển động tương đối của pha khí Cs. Hơn nữa do hàm lượng lắng đọng paraffinsmol- asphaten của giếng lớn, khi hiện tượng trượt khí xảy ra sẽ làm tăng quá trình lắng đọng paraffin trong giếng gaslift mà đặt biệt là ở khoảng từ miệng giếng đến độ sâu 1000m (Hình3). Hình 3. Lắng đọng paraffin trong giếng gaslift Thí nghiệm xác định lắng đọng paraffin bằng phương pháp “Cold Finger” cho thấy tốc độ lắng đọng parafin của dầu giếng khai thác gaslift tại Việt Nam là từ 2500 đến 3842g/m2/ngày ở nhiệt độ 35oC. Lắng đọng paraffin-smol-asphaten làm giảm đường kính ống khai thác và hiệu suất giếng gaslift. Để nâng cao hiệu quả gaslift ứng dụng các phương pháp sau: - Lựa chọn tối ưu thiết bị giếng khai thác gaslift; - Thay đổi tính chất lí-hóa của chất lưu trong ống khai thác và tối ưu cấu trúc dòngchảy. Phương pháp thứ nhất liên quan đến việc lựa chọn và tối ưu hóa đường kính ống khai thác, tiến hành khảo sát và sửa chữa, thay thế van gaslift, lắp đặt thiết bị phân tán khí, tăng độ sâu bơm ép khí, chuyển sang khai thác bằng gaslift định kỳ... Các công tác nêu trên đòi hỏi phải tiến hành sửa chửa giếng, chi phí đầu tư và làm giảm thời gian khai thác của giếng. Phương pháp thứ hai chỉ cần nghiên cứu, lựa chọn và bơm hóa chất: Chất hoạt tính bề mặt (ПАВ) với nồng độ phù hợp vào dòngkhí nén của giếng gaslift. Ưu điểm của phương pháp này là không thay đổi thiết kế và các thiết bị líng giếng, phương pháp này khắc phục được những nhược điểm của phương pháp thứ nhất và rất hiệu quả trong những giếng có hàm lượng lắng đọng paraffin cao. Các nghiên cứu [3, 4] cho thấy việc áp dụng chất hoạt tính bề mặt sẽ tăng khả năng phát tán pha khí, làm giảm chuyển động tương đối của pha khí chậm xuống 1,5 lần, kéo dài thời gian chuyển động kiểu bọt khí, làm chậm quá trình tăng đường kính của các bọt khí khi chuyển động trong ống khai thác. Ngoài ra hóa phẩm khi được bơm vào dòngkhí nén của giếng gaslift còn làm giảm độ nhớt của hỗn hợp dầu-khí-nước và tối ưu tính chất lưu biến của dòng sản phẩm và ngăn ngừa quá trình lắng đọng paraffin trong ống khai thác [5]. Phương pháp lí-hóa nhằm nâng cao hiệu quả khai thác giếng gaslift đã được nghiên cứu và áp dụng tại nhiều nước trên thế giới [1, 2, 5] và đã tiến hành sử dụng hóa phẩm tan trong nước (ВРК). Đây là loại hóa phẩm rẻ tiền nên đòi hỏi trong quá trình bơm hóa phẩm phải pha chế với nồng độ lớn và độ chính xác cao, nếu không sẽ tạo nhũ tương và các lắng đọng bền vững gây khó khắn trong quá trình xử lí, vận chuyển dầu [6]. Trong điều kiện khai thác dầu trên biển như ở Việt Nam, nước đồng hành sau khi qua xử lí được thải xuống biển nên việc sử dụng hóa phẩm tan trong nước với hàm lượng lớn là không cho phép và sẽ gây tác hại cho môi trường. Do vậy cần nghiên cứu chọn lựa và ứng dụng hỗn hợp hóa phẩm thích hơp với nồng độ tối ưu để nâng cao hiệu quả giếng khai thác gaslift phù hợp và tương thích với điều kiện khai thác dầu trên biển ở Việt Nam. Do đặc trưng riêng về hệ thống xử lí dầu khí nước của các mỏ dầu khai thác trên biển nên chỉ tiến hành nghiên cứu và lựa chọn hóa phẩm tan trong dầu (НРК). Lựa chọn hóa phẩm để nâng cao hiệu quả giếng khai thác gaslift trong điều kiện khai thác trên biển ở Việt Nam dựa trên các tiêu chí sau: - Hóa phẩm là loại hóa chất tan được trong dầu, có nhiệt độ đông đặc thấp; - Có khả năng tạo bọt để kéo dài thời gian chuyển động kiểu bọt khí, làm chậm quá trình tăng đường kính của bọt khí trong ống khai thác và giảm tỷ trọng của cột chất; - Tối ưu tính chất lưu biến của chất lưu trong ống khai thác; - Gây ức chế và chống lắng đọng paraffin trong giếng gaslift; - Không tạo ra nhũ bền vững và các chất lắng đọng. Dựa vào các tiêu chí nêu trên đã tiến hành nghiên cứu lựa chọn hóa phẩm nâng cao hiệu quả làm việc giếng gaslift với thành phần là chất hoạt tính bề mặt và chất gây ức chế và chống lắng đọng paraffin. Nghiên cứu nhằm mục đích nghiên cứu khả năng tạo bọt của hỗn hợp hóa phẩm theo tiêu chuẩn ASTM D892-97 - “Standard Test Method for Foaming Characteristics of Oils” [7]. Việc ứng dụng khả năng tạo bọt bằng hóa phẩm đã ứng dụng trong việc gọi dòng, xử lí dung dịch khoan, xử lí vùng lân cận đáy giếng, tuy nhiên chưa được nghiên cứu và ứng dụng cho giếng khai thác gaslift [3]. Việc sử dụng hóa phẩm trong giếng gaslift sẽ tăng khả năng phát tán pha khí, làm chậm quá trình tăng đường kính của bọt khí khi chuyển động trong ống khai thác, từ đó tăng khả năng tạo bọt của dầu-khí-nước [3] và kéo dài thời gian chuyển động kiểu bọt khí trong giếng gaslift. Khả năng tạo bọt càng lớn sẽ làm tăng thể tích của hỗn hợp dầu khí nước trong ống khai thác, kết quả là làm giảm tỷ trọng của cột chất lưu trong ống khai thác, từ đó làm giám áp suất đáy và tăng khả năng cho dòngcủa giếng gaslift. Tiến hành thí nghiệm việc ứng dụng hóa phẩm theo tiêu chuẩn ASTM D892-97 cho giếng gaslift có độ ngập nước Wc =25% và thu được kết quả như Hình 4, 5. Hình 4. Khả năng tạo bọt của hỗn hợp dầu – nước với chất hoạt tính bề mặt - Wc = 25% Hình 5. Thời gian phá vỡ bọt khí của hỗn hợp dầu – nước Từ kết quả thực nghiệm (Hình 4, 5) cho thấy việc sử dụng chất hoạt tính bề mặt với nồng độ 300 ppm (300 gram hóa phẩm/1 tấn chất lưu) thì khả năng tạo bọt của hỗn hợp dầu- khí-nước là lớn nhất và không gây khó khăn cho quá trình xử lí, vận chuyển dầu, khí, nước. Đây được gọi là nồng độ tối ưu của chất hoạt tính bề mặt. Từ kết quả nghiên cứu trên, tiếp tục tiến hành nghiên cứu khả năng tạo bọt của hỗn hợp hóa phẩm gồm: Chất căng bề mặt với nồng độ tối ưu vừa t.m được là 300 ppm (không thay đổi trong quá trình thí nghiệm với chất ức chế paraffin) và chất ức chế chống lắng đọng paraffin. Kết quả nghiên cứu cho kết quả như Hình 6, 7. Hình 6. Khả năng tạo bọt của hỗn hợp dầu – nước với hỗn hợp chất hoạt tính bề mặt và chất ức chế lắng đọng paraffin Wc =25% Hình 7. Thời gian phá vỡ bọt khí của hỗn hợp dầu - nước Kết quả nghiên cứu (Hình7) cho thấy việc sử dụng hỗn hợp hóa phẩm: Chất căng bề mặt và chất ức chế lắng đọng paraffin sẽ làm tăng khả năng tạo bọt của hỗn hợp dầu-khí-nước so với trường hợp chỉ dùng chất hoạt tính bề mặt. Kết quả thực nghiệm đã xác định được nồng độ tối ưu của hỗn hợp hóa phẩm là: Chất căng bề mặt là 300 ppm và chất ức chế lắng đọng paraffin là 400 ppm sẽ cho khả năng tạo bọt lớn nhất. Và với thời gian tự phá hủy bọt khí là 52 giây sẽ không gây khó khăn cho quá trình xử lí dầu khí nước tại bình tách. Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp hóa phẩm lên tính chất lưu biến của chất lưu cho thấy việc áp dụng hỗn hợp chất hoạt tính bề mặt và chất ức chế paraffin làm giảm độ nhớt của chất lưu và tối ưu tính chất lưu biến của chất lưu trong quá trình khai thác cũng như vận chuyển dầu khí (Hình8). Hình 8. Ảnh hưởng của hóa phẩm lên tính chất lưu biến của hỗn hợp dầu - khí nước Ngoài ra việc áp dụng hóa phẩm đã làm giảm hàm lượng lắng đọng paraffin trong giếng khai thác. Thí nghiệm được tiến hành bằng việc đo hàm lượng lắng đọng paraffin bằng phương pháp “Cold Finger”ở nhiệt độ 30oC đối với trường hợp có sử dụng và không xử dụng hóa phẩm cho kết quả như Hình 9. Hình 9. Hiệu quả sử dụng hóa phẩm ức chế, chống lắng đọng paraffin Kết quả thí nghiệm cho thấy khi sử dụng hỗn hợp hóa phẩm: 300 ppm chất hoạt tính bề mặt và 400 ppm chất ức chế chống lắng đọng paraffin làm giảm hàm lượng lắng đọng paraffin trong giếng khai thác gaslift 51,5% (giảm từ 3842 xuống 1865 g/m2/ngày). Từ kết quả thực nghiệm tiến hành tính toán tỷ trọng của hỗn hợp chất lưu, áp suất đáy và lưu lượng của giếng gaslift, kết quả như Hình 10, 11. Kết quả tính toán cho thấy việc áp dụng hỗn hợp hóa phẩm: Chất hoạt tính bề mặt và chất ức chế, chống lắng đọng paraffin sẽ làm tăng lưu lượng khai thác giếng gaslift từ 20-30 % và tăng cao hiệu quả sử dụng khí nén. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là cần thiết kế, bổ sung hệ thống máy bơm hóa phẩm vào đường bơm ép khí gaslift đối với những mỏ chưa tính toán đến việc bơm hoá phẩm vào giếng gaslift trong quá trình phát triển mỏ. Đối với những giếng gaslift có hàm lượng ngập nước cao (lớn hơn 60%) thì hóa phẩm tan trong dầu sẽ giảm khả năng tạo bọt. Để khắc phục nhược điểm nêu trên nên tiến hành sử dụng thiết bị phân tán khí dispersion [8] kết hợp với hỗn hợp hóa phẩm đối với giếng khai thác gaslift có độ ngập nước cao - từ 50 đến 80%. Hình 10. Giảm tỷ trọng chất lưu khi áp dụng hóa phẩm Hình 11. Hiệu quả áp dụng hóa phẩm cho giếng khai thác gaslift Kết luận 1. Khi độ ngập nước của giếng khai thác tăng sẽ tăng vận tốc chuyển động tương đối của pha khí, phá hủy cấu trúc kiểu dòngchảy dạng bọt khí làm giảm hiệu suất sử dụng khí E và hiệu suất làm việc giếng gaslift η. 2. Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng hỗn hợp hóa phẩm: Chất hoạt tính bề mặt và chất ức chế lắng đọng paraffin làm giảm vận tốc chuyển động của pha khí, làm chậm quá trình phát triển của bọt khí khi chuyển động trong ống khai thác và tăng khả năng tạo bọt của hỗn hợp dầu-khí nước. 3. Nghiêm cứu đã xác định nồng độ tối ưu của hỗn hợp hóa phẩm, tuy nhiên tùy điều kiện, tính chất lí hóa dầu - khí nước từng mỏ nên hiệu chỉnh nồng độ của hỗn hợp cho phù hơp với điều kiện từng mỏ tại Việt Nam. 4. Việc áp dụng hỗn hợp hóa phẩm làm tối ưu tính chất lưu biến của chất lưu, giảm độ nhớt của dòngsản phẩm, giảm hàm lượng lắng đọng paraffin 51,5% và không gây ra khó khăn trong quá trình xử lí, vận chuyển dầu khí. 5. Việc áp dụng hỗn hợp hóa phẩm làm tăng lưu lượng giếng khai thác gaslift lên 20-30 %, làm tăng hiệu quả sử dụng khí nén và hiệu suất làm việc của giếng gaslift. 6. Đối với giếng khai thác gaslift có độ ngập nước cao (từ 50 đến 80%) nên tiến hành sử dụng thiết bị phân tán khí dispersion kết hợp với hỗn hợp hóa phẩm để nâng cao hiệu quả làm việc của giếng. NCS. Nguyễn Hữu Nhân, TS. M.M. Kabirov ĐHTH kỹ thuật Dầu khí Ufa – LB Nga KS. Nguyễn Thành Dũng Tổng công ty TD & KT Dầu khí (Theo TCDK số 4-2009)